107 高普考普通考試 航海技術 航行設備概要 考古題詳解

核心觀念

本題評量全球定位系統（Global Positioning System, GPS）單點定位時之偽距量測誤差來源（Error Sources）​與使用者等效測距誤差（User Equivalent Range Error, UERE）​之組成結構。

GPS 定位係藉由量測衛星至接收機天線間的電磁波傳播時間，換算為幾何距離（即「偽距」 Pseudorange）。單顆衛星的偽距觀測方程式如下：

$\rho_i = R_i + c \cdot (\delta t_u - \delta t^s) + I_i + T_i + M_i + \epsilon_i$

式中：

• $\rho_i$：第 $i$ 顆衛星之觀測偽距
• $R_i$：衛星至接收機之真實幾何距離
• $c$：光速（約 $3 \times 10^8\text{ m/s}$）
• $\delta t_u$：接收機時鐘偏差（Receiver Clock Error）
• $\delta t^s$：衛星時鐘偏差（Satellite Clock Error）
• $I_i$：電離層延遲（Ionospheric Delay）
• $T_i$：對流層延遲（Tropospheric Delay）
• $M_i$：多路徑效應誤差（Multipath Error）
• $\epsilon_i$：接收機內部雜訊與量測隨機誤差

最終三維定位誤差，由各項測距誤差綜合構成之 UERE 與衛星幾何分布狀況（幾何精度衰減因子，PDOP）共同決定：

$\sigma_{\text{3D}} = \text{PDOP} \times \sigma_{\text{UERE}}$

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解題方法

申論此題時，若僅雜亂列舉名詞易遭扣分。應採​「信號產生與傳播生命週期」​為切入架構，依序分為四大範疇論述：

1. 空間衛星端誤差（Satellite Segment Errors）
2. 大氣傳播路徑誤差（Signal Propagation Errors）
3. 使用者接收機端誤差（Receiver Segment Errors）
4. 人為與幾何分布效應（System / Geometry Errors）

針對每一項誤差，嚴格依題目要求拆解為​「誤差名稱」、「產生原因（物理機制）」​與​「典型數值大小（修正前／修正後）」，並以彙總表格收攏，展現高階技術論述之條理性。

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選項分析

本題為申論問答題，無客觀選項。閱卷評分針對各誤差成因之技術辨析要點如下：

1. 電離層延遲 vs. 對流層延遲（成因與修正差異）：

• 電離層為頻散介質（Dispersive Medium），折射率與載波頻率平方成反比（$I \propto 1/f^2$），雙頻接收機（L1/L2）可消除 99% 以上延遲；單頻機僅能依賴導航電文中之 Klobuchar 經驗模型修訂約 50%。
• 對流層為非頻散介質（Non-dispersive Medium），光波與微波延遲量與電磁波頻率無關，雙頻技術無法消除，必須依賴大氣壓力、溫度、水氣壓之經驗對流層模型（如 Hopfield 或 Saastamoinen 模型）進行補償。

2. 接收機時鐘誤差的處理特殊性：

• 接收機採用低成本石英震盪器，鐘差極大；但因四顆衛星可聯立解出四個未知數（$X, Y, Z, c\delta t_u$），在數學解算過程中可將其視為未知參數完全解出，故不計入最終殘留 UERE 測距誤差預算中。

3. 選擇性可用度（Selective Availability, SA）之時代定義：

• 歷史上美國國防部人為加入之抖動誤差（dither）可達數十公尺，已於西元 2000 年 5 月 2 日停止實施，作答時須明確交代「目前影響為 $0\text{ m}$，但歷史原理不可忽視」。

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解題技巧

1. 脈絡聯想法：記住口訣「衛（衛星）、天（大氣）、地（多路徑與接收機）」，順著電磁波自太空中生成、穿過大氣層、進入船用天線的傳遞路徑書寫，絕不遺漏要點。
2. 關鍵數值牢記：

• 單一最大天然誤差：電離層延遲（未修正時可達 $10 \sim 30\text{ m}$）。
• 最終單頻民用 GPS 合成測距誤差（UERE）：約 $4 \sim 6\text{ m}$。
• 水平定位精度（95% 信心水準）：約 $5 \sim 15\text{ m}$。

3. 避免常見陷阱：

• 切勿將「幾何精度衰減因子（DOP）」直接寫為獨立的測距誤差；DOP 屬於幾何放大係數，其本身無長度單位，是將測距誤差放大為定位誤差的乘數。

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【答案】

GPS 之主要誤差來源、產生原因及誤差大小詳述如下：

一、空間衛星端誤差（Satellite Segment Errors）

1. 衛星時鐘誤差（Satellite Clock Error）

• 產生原因：衛星搭載高精度原子鐘（銫鐘或銣鐘），雖具高度穩定性，但仍存在時間漂移、頻率抖動及老化現象；此外，受狹義相對論（衛星高速運轉使時鐘變慢）與廣義相對論（衛星處於較弱引力場使時鐘變快）之影響，衛星時間與標準 GPS 時間會產生微小偏差。
• 誤差大小：未經校正前之等效測距誤差約為 $1 \sim 5\text{ m}$。衛星廣播星曆中包含鐘差多項式參數，經接收機修正後，殘留誤差約為 $1 \sim 2\text{ m}$。

2. 衛星軌道誤差／星曆誤差（Ephemeris Error / Orbital Error）

• 產生原因：主控站藉由追蹤網預測衛星未來軌道參數並寫入導航電文。由於地球非對稱引力場、太陽輻射壓力、月球及太陽引力攝動、大氣殘餘阻力等複雜因素，導致衛星實際位置與廣播星曆之預報位置存在偏差。
• 誤差大小：一般廣播星曆的空間軌道殘餘誤差約為 $1 \sim 2.5\text{ m}$。

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二、大氣傳播路徑誤差（Signal Propagation Errors）

1. 電離層延遲（Ionospheric Delay）

• 產生原因：距地表 $50 \sim 1000\text{ km}$ 之大氣層受太陽紫外線與宇宙射線照射游離，形成含有大量自由電子的電離層。電離層為頻散介質，會使 GPS 測距碼（調變信號）之群速度變慢，導致測得距離長於真實距離。

核心觀念

本題以命題當年（民國 107 年）國際海事組織（IMO）生效之《電子海圖顯示與資訊系統性能標準》（IMO Resolution MSC.232(82) "Revised Performance Standards for Electronic Chart Display and Information Systems (ECDIS)"）附錄 5（Appendix 5: Alarms and Indicators in the ECDIS）為法定標準依據。（現行法已有 IMO MSC.530(106) 等後續標準修正，但解題仍以命題當年為準）。

核心觀念聚焦於 ECDIS 對航行安全狀態的分類通報機制：

1. 警報（Alarm）：指需要當值航行員「立即注意與處置」的緊急或危險狀況。標準規定 ECDIS 必須發出聽覺與視覺警報（Audible and Visual Alarm）。
2. 指示（Indicator）：指提醒航行員注意系統狀態、資料限制或次要警訊的資訊，標準規定以視覺方式（Visual Indication）​在螢幕上呈現。

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解題方法

本題為標準的國際公約法規記憶與整合題。解答切入點如下：

1. 分門別類鋪陳：避免將警報與指示混雜列舉。作答時先將項目明確劃分為「聽視覺警報（Alarms）」與「視覺指示（Indicators）」兩大板塊，展現專業答題架構。
2. 依作業情境歸納：從「航行監控（Route Monitoring）」、「航路規劃（Route Planning）」、「海圖顯示與資料（Chart Data & Display）」、「感測器與系統完整性（System & Sensor Integrity）」等情境依序條列，確保涵蓋完整且超過題目要求的 10 種。

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選項分析

本題為非選擇題（申論問答題），無既定選項。考生在面對此類「警報 vs. 指示」題目時，常犯的歸類錯誤分析如下：

1. 「超越安全等深線」的時機辨析：

• 航行監控中（Route Monitoring）實際超越：屬於立即的擱淺危險，必須發出聽視覺警報（Alarm）。
• 航路規劃中（Route Planning）路線橫跨：尚未構成即時危險，系統僅需提供視覺指示（Indicator）​提醒航海員修正航路。

2. 「海圖比例尺問題」的層級辨析：

• 螢幕縮放超過電子海圖原本製作的最大比例尺（Overscale），或有更大比例尺海圖可用時，均屬於資訊品質提醒，規範要求為視覺指示（Indicator），而非警報。

3. 「大地基準不一致」的嚴重性：

• 若使用的海圖大地基準（Geodetic Datum）非 WGS-84 且無法被自動轉換為 WGS-84 時，將造成船位嚴重偏離，屬於警報（Alarm）；若僅是參考投影系統切換等附加資訊，則為指示（Indicator）。

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解題技巧

1. 二分記憶法（動態即時危險 vs. 靜態系統狀態）：

• Alarm（必響必閃）：多與「現行即時航行危險」直接相關（如：穿越安全等深線、偏離航線 XTD 超限、接近轉向點/關鍵點、進入特定危險區、系統運作當機）。

核心觀念

本題測驗國際海事組織（IMO）推動之「電子航行」（e-Navigation）核心定義及其在船舶端之實際應用價值。依據 IMO 海上安全委員會（MSC）所核定之策略實施計畫（Strategy Implementation Plan, SIP），考生必須精確掌握 e-Navigation 的官方權威定義，並理解其非單一硬體設備，而是跨系統、跨平台的「資訊整合與通訊架構」。本題評分關鍵在於能否精準寫出「泊位至泊位（Berth-to-Berth）」之核心範疇，並從人機介面、情境警覺、警報管理、船岸協同與營運效率等維度，完整申論船端優點。

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解題方法

本題為標準之海事工程與航行管理申論題，作答應採取「先定義後效益」之層次開展：

1. 定義部分：直接切入 IMO 官方定義，點出海事資訊「收集、整合、交換、呈現、分析」五大處理流程，涵蓋船端與岸端，並強調「碼頭至碼頭」的全程航行安全與環保目標。
2. 優點部分：切忌零散列舉，應系統化從船上駕駛員（OOW）與船舶營運角度切入，分列為「人機介面與工作負荷」、「航行安全與情境警覺」、「警報管理優化」、「船岸協同與決策支援」、「營運節能與行政減負」五大核心優點，展現專業系統觀。

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選項分析（申論題要點剖析）

本題為申論題，閱卷評分點著重於觀念是否精準、架構是否周全，論點拆解如下：

1. 何謂 e-Navigation（定義解析）：

• 核心定義不可簡化為「航儀電子化」或「ECDIS 升級版」。必須明確指出是以電子手段統一協調船上與岸上海事資訊的架構。
• 範圍必須包含「船上（On board）」與「岸上（Ashore）」，涵蓋航程「自泊位至泊位（Berth-to-berth）」。

2. 船上使用之優點剖析：

• 人機介面標準化（S-Mode）：解決跨廠牌航儀操作差異問題，降低船員換船時因操作不熟練所導致之操作疏失。
• 情境警覺度提升（Situational Awareness）：將雷達、AIS、電子海圖（ECDIS）及即時動態氣象水文圖層無縫套疊，直觀輔助避碰決策。
• 警報氾濫之消除：導入橋樓警報管理（BAM），避免多重設備無效蜂鳴干擾航行當值。
• 船岸即時路徑交換（Route Exchange）：船端航行計畫可直接傳輸給 VTS 與引水人預先審查，縮短通關與進港等待時間。

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解題技巧

1. 定義記憶口訣：掌握「五大動詞（收、整、交、現、析）」＋「兩大場域（船端、岸端）」＋「一個歷程（泊位至泊位）」＋「三大終極目標（安全、保安、環保）」。
2. 答題避坑指南：

• 切勿混淆概念：e-Navigation 不等於無人船／自主船舶（MASS）。它是輔助航行決策的電子資訊架構，在有人船上以降低人為疏失、提升決策品質為主。
• 避免篇幅失衡：定義占分約 40%，優點占分約 60%。定義力求一字不漏的標準性，優點則條理分明、層次開展。

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【答案】

一、e-Navigation 之定義

依據國際海事組織（IMO）之官方正式定義（以命題當年民國 107 年 IMO MSC 通函規範為準）：

核心觀念 本題以命題當年（民國 107 年）之國際法規《國際海上人命安全公約》（SOLAS）第 IV 章（無線電通信）及我國《船舶設備規則》相關規定為準。（現行 SOLAS 第 IV 章已修正，A3 海域定義已將原指定之 Inmarsat 擴大為「認可的行動衛星服務 RMSS」）。 考測核心包含兩大觀念：

1. GMDSS 海域劃分哲學：全球海上遇險與安全系統（GMDSS）不以行政疆界或單純離岸距離劃分海域，而是以「岸基無線電通信涵蓋範圍」與「所能提供之遇險警報與通訊手段」作為劃分基準。
2. 功能導向之設備配賦原則：船舶無線電設備之配置，取決於船舶「預定航行之海域」，而非船舶大小（除救生艇筏專用設備依總噸位有些微數量差異外）。A1 海域航行船舶必須滿足 SOLAS 第 IV 章第 7 條（各海域通用基本設備）與第 8 條（A1 海域特定設備）之要求。

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解題方法 本題為典型申論題，答題架構應分為「海域定義」與「設備配置」兩部分：

1. 海域定義切入點：依 A1 $\rightarrow$ A2 $\rightarrow$ A3 $\rightarrow$ A4 順序遞進定義。說明時務必包含三大核心要素：「涵蓋主體（通信媒介）」、「警報方式（DSC 或衛星）」及「物理有效距離或緯度範圍」。
2. 設備配置切入點：依功能分類條列（通訊值守、遇險警報、安全資訊、現場搜救），避免雜亂無章。作答時須明確指出基本設備與第二種備用遇險警報手段（Secondary means of alerting）。

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選項分析 本題為申論問答題，無單選題選項。閱卷給分之關鍵查核點分析如下：

• 海域定義是否精確：若僅寫「離岸 20 浬以內為 A1」，缺乏「至少一座具備持續 VHF-DSC 警報能力之海岸電台涵蓋範圍」等法定要件，將大幅失分。
• 設備是否涵蓋完整功能模組：
• 若僅列出 VHF，遺漏 NAVTEX、SART、EPIRB 或雙向可攜式 VHF，屬不完整作答。
• 是否明確指出 EPIRB 具備「自動浮離（Float-free）」與「可充當第二獨立遇險警報手段」之特性。

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解題技巧

1. 海域特徵口訣化：

• A1 $\rightarrow$ 特高頻（VHF DSC，約 20～30 浬）
• A2 $\rightarrow$ 中頻（MF DSC，約 100～150 浬）
• A3 $\rightarrow$ 對地靜止衛星（Inmarsat，約 $70^\circ\text{N} \sim 70^\circ\text{S}$ 之間）
• A4 $\rightarrow$ 極區／高頻（A1～A3 以外，依賴 HF）

2. 防陷阱要訣：

• 題目問「A1 海域航行船舶」，切勿只寫 SOLAS 第 8 條的特有裝備，必須將第 7 條的通用設備（如 NAVTEX、SART、EPIRB）合併整合列出，方為合規的「應配置設備完整清單」。

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【答案】

一、GMDSS 定義之四個種類海域範圍（以民國 107 年法規為準）

1. A1 海域（Sea Area A1）： 指由至少一座具有持續數位選擇呼叫（VHF-DSC，第 70 頻道）遇險警報能力之特高頻（VHF）海岸電台，其通話所涵蓋之區域（通